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문제 정의
- 본 연구에서는 표면침투제가 사용된 콘크리트 시편에 대하여 기초실험을 수행하였다. 기초실험에서는 강도평가, 침투성능평가, 점도 및 표면장력평가, 흡수율평가, 투수성 및 투기성, SEM 분석을 통한 미세구조분석 등을 포함하고 있다.
- 콘크리트의 투수성 및 투기성은 다공질매체의 특성으로서 확산성과도 직접적으로 연계되어 있으므로 열화저항에 대한 지표로 사용될 수 있다는데(CEB, 1989; Bungey and Millard, 1996), 본 연구에서는 실험적 평가를 수행하여 표면침투제 적용 전후의 투수성 및 투기성에 대한 개선효과를 분석하도록 한다. Fig.
- 본 장에서는 기초물성실험을 통하여 최종적으로 선정된 B-Type(유/무기계) 및 D-Type(무기계) 표면침투제의 내구적 저항성을 평가하였다. 일반적으로 표면침투제가 사용될 수 있는 콘크리트 구조체의 노출환경인 탄산화, 동결융해, 염해(침투깊이 및 확산계수)에대한 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 다양한 무기계 또는 유.무기제 침투제를 사용한 콘크리트 시편에 대하여 실내실험을 수행하여, 최적의 표면침투제를 선별한 후, 내구성에 관련된 실험을 수행하였다. 표면침투제의 선별을 위한 실내실험으로는 압축강도, 침투깊이 평가, 점도 및 표면장력, 흡수율, 투수성 및 투기성을 평가하였으며, 실험결과에 따라 표면침투제를 선정하였다.
- 무기제 침투제를 사용한 콘크리트 시편에 대하여 실내실험을 수행하여, 최적의 표면침투제를 선별한 후, 내구성에 관련된 실험을 수행하였다. 표면침투제의 선별을 위한 실내실험으로는 압축강도, 침투깊이 평가, 점도 및 표면장력, 흡수율, 투수성 및 투기성을 평가하였으며, 실험결과에 따라 표면침투제를 선정하였다. 이후 일반 콘크리트에 사용되는 배합(OPC 100%, W/C 54.
- 표면침투제의 선별을 위한 실내실험으로는 압축강도, 침투깊이 평가, 점도 및 표면장력, 흡수율, 투수성 및 투기성을 평가하였으며, 실험결과에 따라 표면침투제를 선정하였다. 이후 일반 콘크리트에 사용되는 배합(OPC 100%, W/C 54.2%) 및 혼화재료를 사용한 배합(FA 20%, W/B 45%)에 대하여 선정된 표면침투제를 적용한 뒤 내구성 관련실험을 수행하였다. Fig.
- 대하여 기초실험을 수행하였다. 기초실험에서는 강도평가, 침투성능평가, 점도 및 표면장력평가, 흡수율평가, 투수성 및 투기성, SEM 분석을 통한 미세구조분석 등을 포함하고 있다. Table 1에서는 대상 표면침투제의 성분 및 특성을 나타내고 있다.
- 압축강도평가에서는 28일 수중양생된 콘크리트 공시체(>10x20㎝)를 표면침투제에 1시간 동안 침지시킨 뒤, 5일간 자연건조 시켰으며, KS F 2405에 따라 압축강도평가를 수행하였다. 표면침투제 적용 후압축강도 평가시점은 7일, 14일, 28일이며, Table 2 에서는 시험용 콘크리트 시편의 배합표를, 실험결과는 Fig.
- 본 실험에서는 콘크리트 시편의 측면은 에폭시수지로 코팅하였으며, 모세관 흡입력에 의한 침투성능을 평가하였다. 표면침투제의 반응물질의 크기는 나노입자의 크기를 가지고 있으므로 모세관 흡입에 따라 반응성 물질 및 활성화물질이 콘크리트 내부로 흡수된다.
- 표면침투제를 도포한 공시체(10x20㎝)를 일방향으로 물에 침지시킨 뒤 흡수율을 평가하였다. 흡수전후에 따른 중량비를 식(3)을 이용하여 평가하였으며, 각시간마다의 흡수율을 평가하였다.
- 흡수전후에 따른 중량비를 식(3)을 이용하여 평가하였으며, 각시간마다의 흡수율을 평가하였다.
- 직접가압 투수실험을 수행하였으며, 독일 G사의 GWT-400kit 시험장비에 의한 방법으로 투수실험을 수행하였다. 시편은 20x20x10㎝의 직육면체 콘크리트 공시체를 사용하였으며, 투수계수는 식(4)과 같이 도출할 수 있다.
- 투기성 시험은 20x20x10㎝의 직육면체 콘크리트공시체를 이용하여 실시하였는데, 내측 진공실의 기압변화를 720초 동안 측정함으로써 콘크리트의 투기성을 평가하는 것이다. 투기계수는 식(5)에 의해서 평가하며, 그 결과는 Fig.
- 각 시편에 표면침투제를 도포하여 14일간 기중양생시킨 뒤에 공시체 표면부에서 채취한 시료를 이용하여, SEM 분석(x2000배)을 수행하였다. SEM을 통한 표면조직의 관찰에서는 수산화칼슘이 CSH겔로 변화하면서 판상형의 수화물이 관찰되며, 이로인한 내부조직이 치밀해지는 것이 일반적이다.
- 본 절에서는 기초물성평가에서 도출된 결과를 이용하여 최적의 표면침투제를 선정하도록 한다. 선정방법은 최대로 성능이 개선된 값을 100%로 하였으며 각침투제의 성능을 %로 치환하여 산정하도록 한다.
- 선정방법은 최대로 성능이 개선된 값을 100%로 하였으며 각침투제의 성능을 %로 치환하여 산정하도록 한다. 등수에 따른 일정한 가중치를 도입할 경우, 비슷한 개선효과를 보임에도 불구하고 성능이 낮게 평가될 수 있기 때문이다.
- 내구적 저항성을 평가하였다. 일반적으로 표면침투제가 사용될 수 있는 콘크리트 구조체의 노출환경인 탄산화, 동결융해, 염해(침투깊이 및 확산계수)에대한 실험을 수행하였다.
- 본 장에서는 A, B 배합에 선정된 표면침투제를 도포하고 촉진탄산화 실험을 수행하여 탄산화에 대한 저항성을 평가하였다.
- 각 시편은 28일 수중양생을 거친 뒤 표면건조 상태에서 침투제를 도포하였으며, 탄산화 실험시의 습도 65%를 만족하기 위하여 2주 경과뒤 실험을 수행하였다. Table 5에서는 촉진탄산화 실험사양을 나타내고 있으며 Table 6에서는 탄산화 실험결과를 #에 의해서 회귀분석한 결과를 나타내고 있다.
- 표면침투제의 적용 전후의 콘크리트 시편에 대하여, 염화물 침지실험을 통한 염화물 침투깊이의 변화와 확산계수의 변화를 분석하였다.
- 침지실험의 경우, 각 콘크리트 시편에 대하여 3개월간 자연해수에 10x10㎝(실린데 시편을 침지시킨뒤, 깊이방향으로의 염화물 침투깊이를 평가하였으며 시약은 질산은용액(0.1N)을 사용하였다. 1차원 유입을 위하여 윗면을 제외한 측면과 밑면은 에폭시로 코팅하였다.
- 1) 6가지의 무기계 또는 유/무기계 침투제를 이용하여 기초물성평가를 수행하였으며, 투수성, 투기성, 흡수성능 평가를 통하여 최적의 침투제를 선정하였다. 최적의 침투제로 선정된 침투제의 경우, 강도증가효과는 크지 않았으나 흡수율에서는 25~34% 수준으로, 투수성에서는 30~45% 수준으로 감소하여 성능의 우수성을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 시편은 20x20x10㎝의 직육면체 콘크리트 공시체를 사용하였으며, 투수계수는 식(4)과 같이 도출할 수 있다.
이론/모형
- 하며, 낮을수록 침투가 용이하다. 본 실험에서는 점도평가에서는 KS M 3705의 단일원통 회전점도계를, 표면장력은 링법을 이용한 Du Nouy 장력계를 사용하였다. Fig.
- 동결융해평가에서는 Table 7과 같이 KS F2456 (급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법)중 기중동결 수중융해방법을 사용하여 동결융해 저항성을 평가하였다. 평가방법은 상대동탄성계수의 변화 및 질량감소율을 측정하였는데, 식(6)에서는 상대동탄성 계수를, 식(7)에서는 내구성지수를 나타내고 있다.
- 촉진실험에 의한 확산계수 평가는 기존의 이론식에 (Tang and Nilsson, 1992) 따랐으며, 식⑻ 및 식 (9)에 따라서 도출된다. Table 8에서는 실험사양을나타내고 있으며, 실험결과를 Fig.
성능/효과
- 된다. 각각의 침투제와 잘게 부순 콘크리트와의 반응속도를 관찰한 결과, A, B에서는 1/6시간, 1/12시간 경과후 겔(gel)화 되었으며, C, D에서는 6시간 및 24시간, E와 F에서는 1/3시간 및 2시간이 경과함을 확인하였다. 즉 실리케이트와 콘크리트와의 반응속도지연에 따라 침투깊이가 개선됨을 알 수 있다.
- 물의 점도인 1.2cp보다는 침투제가 3~4배정도 큰값을 보이고 있으며, 표면장력은 물의 표면장력인 75dyne/㎝에 비하여 35~80% 수준을 보이고 있었다. C와 D 침투제의 경우, 점도 및 표면장력이 동시에 우수하게 평가됨을 알 수 있다.
- 나타낸다. 실험결과, A~D의 침투제가 우수한 투수저항성을 나타내었으며, D 침투제의 경우 최대 30% 수준으로 투수성이 감소하였다. Fig.
- 표면침투제를 적용하지 않은 시편에 비하여 A, B, C, D, E, F는 각각 8%, 25%, 30%, 44%, 6%, 8%의 투기계수 감소를 나타내고 있음을 알수 있다.
- 이상의 결과에서 무기계에서는 D type의 침투제가 선정되었으며, 유/무기계에서는 B type의 침투제가 선정되었다.
- 본 실험결과에서 알 수 있듯이 표면침투제를 사용한 콘크리트는 침투전의 콘크리트에 비하여 유/무기계 침투제인 경우는 61~83% 수준으로 감소하였으며, 무기계 침투제인 경우는 51~62% 수준으로 감소하였다. 탄산화 깊이의 감소는 침투제를 통하여 추가적으로 생성된 수화물이 공극을 충진시키고 이에따라 이산화탄소의 확산이 감소한 것으로 평가된다.
- 13에 나타내었다. 실험결과 표면침투제를 적용한 콘크리트 시편은 동결융해에 대한 저항성을 동등이상으로 개선시키고 있음을 알수 있다.
- 1차원 유입을 위하여 윗면을 제외한 측면과 밑면은 에폭시로 코팅하였다. 실험결과 침투깊이는 표면침투제를 사용한경우, 모두 85%수준으로 감소하여 염화물 침투에 저항성을 가지고 있음을 알 수 있다. 표면의 확산계수감소와 염화물 고착화 증가에 따른 이온의 침투량 감소가 주원인이라고 할 수 있다.
- 실험결과, 침투후의 염화물 확산계수는 A배합의 경우, 85% 수준으로 감소하였으며, B배합의 경우, 72%(유/무기계 침투제) 및 75%(무기계 침투제) 수준으로 감소하였다. 염해에 대한 저항성에서는 유/무기계 침투제를 사용한 경우가 무기계 침투제를 사용한 경우에 비하여 약간 우수한 저항성능을 보이고 있었다.
- 최적의 침투제로 선정된 침투제의 경우, 강도증가효과는 크지 않았으나 흡수율에서는 25~34% 수준으로, 투수성에서는 30~45% 수준으로 감소하여 성능의 우수성을 확인할 수 있었다.
- 2) 선정된 표면침투제에 대하여 내구적 저항성능을 평가한 결과, 탄산화 깊이는 유/무기계 침투제인 경우 61~83% 수준으로, 무기계 침투제인 경우는 51~62% 수준으로 감소하였다. 한편 염화물 침투깊이 평가에서는 선정된 침투제 모두 15% 정도의 침투깊이 감소를 확인할 수 있었으며, 염화물 확산계수에서도 일정수준의 감소 (72%-유/무기계 침투제, 75%-무기계 침투제)를실험적으로 평가하였다.
- 한편 염화물 침투깊이 평가에서는 선정된 침투제 모두 15% 정도의 침투깊이 감소를 확인할 수 있었으며, 염화물 확산계수에서도 일정수준의 감소 (72%-유/무기계 침투제, 75%-무기계 침투제)를실험적으로 평가하였다. 염해에 대해서는 유/무기계 침투제가 무기계 침투제 보다 약간 우수한 저항성능을 보이고 있었다.
후속연구
- 3) 선정된 침투제의 시공성, 품질관리기법, 적용제한사항 등이 제시된다면 표면침투제를 사용한 콘크리트 보수공법은 콘크리트 시설물에 대한 보수시스템 및 내구수명 연장기법으로 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 평가된다.
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